스테인리스 강관의 고유한 내식성에도 불구하고 해양 환경에 설치된 스테인리스 강관은 예상 수명 동안 다양한 유형의 부식에 노출됩니다.이 부식은 비산 배출, 제품 손실 및 잠재적인 위험을 초래할 수 있습니다.해양 플랫폼 소유자와 운영자는 더 나은 내식성을 위해 처음부터 더 강한 파이프 재료를 지정하여 부식 위험을 줄일 수 있습니다.그 후 그들은 부식이 설치된 배관의 무결성을 위협하거나 안전을 손상시키지 않도록 보장하기 위해 화학 물질 주입 라인, 유압 및 임펄스 라인, 프로세스 계측 및 계측을 검사할 때 경계를 유지해야 합니다.
국부적인 부식은 많은 플랫폼, 선박, 선박 및 근해 파이프라인에서 볼 수 있습니다.이 부식은 피팅 또는 틈새 부식의 형태일 수 있으며, 둘 중 하나는 파이프 벽을 침식하고 액체가 방출되도록 할 수 있습니다.
애플리케이션의 작동 온도가 높아질수록 부식 위험이 높아집니다.열은 튜브의 외부 보호 수동 산화막의 열화를 가속화하여 공식을 촉진할 수 있습니다.
불행하게도 국부적인 피팅 및 틈새 부식은 감지하기 어렵기 때문에 이러한 유형의 부식을 식별, 예측 및 설계하기가 어렵습니다.이러한 위험을 감안할 때 플랫폼 소유자, 운영자 및 피지명인은 애플리케이션에 가장 적합한 파이프라인 재료를 선택할 때 주의를 기울여야 합니다.재료 선택은 부식에 대한 첫 번째 방어선이므로 올바르게 선택하는 것이 매우 중요합니다.다행스럽게도 그들은 매우 간단하지만 매우 효과적인 국부 부식 저항 측정인 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)을 사용할 수 있습니다.금속의 PREN 값이 높을수록 국부 부식에 대한 저항성이 높아집니다.
이 기사에서는 피팅 및 틈새 부식을 식별하는 방법과 재료의 PREN 값을 기반으로 해양 석유 및 가스 응용 분야를 위한 튜브 재료 선택을 최적화하는 방법을 살펴봅니다.
국부 부식은 금속 표면에 더 균일한 일반적인 부식에 비해 작은 영역에서 발생합니다.염수를 포함한 부식성 액체에 노출되어 금속의 외부 크롬이 풍부한 수동 산화막이 파열될 때 316 스테인리스 스틸 튜빙에서 공식 및 틈새 부식이 형성되기 시작합니다.염화물이 풍부한 해양 환경, 고온 및 심지어 튜브 표면의 오염은 이 부동태 피막의 열화 가능성을 높입니다.
피팅 피팅 부식은 파이프 섹션의 부동태 피막이 파괴되어 파이프 표면에 작은 공동 또는 피트를 형성할 때 발생합니다.이러한 피트는 전기화학 반응이 진행됨에 따라 성장할 가능성이 높으며, 그 결과 금속의 철이 피트 바닥의 용액에 용해됩니다.용해된 철은 구덩이의 상단으로 확산되고 산화되어 산화철 또는 녹을 형성합니다.피트가 깊어짐에 따라 전기화학 반응이 가속화되고 부식이 증가하여 파이프 벽의 천공 및 누출로 이어질 수 있습니다.
튜브는 외부 표면이 오염된 경우 피팅에 더 취약합니다(그림 1).예를 들어, 용접 및 연삭 작업으로 인한 오염 물질은 파이프의 부동태 산화물 층을 손상시켜 점식을 형성하고 가속화할 수 있습니다.단순히 파이프의 오염을 처리하는 경우에도 마찬가지입니다.또한 소금 방울이 증발함에 따라 파이프에 형성되는 젖은 소금 결정이 산화물 층을 보호하고 피팅을 유발할 수 있습니다.이러한 유형의 오염을 방지하려면 파이프를 정기적으로 담수로 씻어 깨끗한 상태를 유지하십시오.
그림 1. 산, 식염수 및 기타 침전물로 오염된 316/316L 스테인리스 강관은 공식에 매우 취약합니다.
틈새 부식.대부분의 경우 피팅은 작업자가 쉽게 감지할 수 있습니다.그러나 틈새 부식은 감지하기 쉽지 않으며 작업자와 직원에게 더 큰 위험을 초래합니다.이것은 일반적으로 클램프로 제자리에 고정된 파이프 또는 서로 옆에 단단히 채워진 파이프와 같이 주변 재료 사이에 좁은 간격이 있는 파이프에서 발생합니다.소금물이 틈으로 스며들면 시간이 지남에 따라 화학적으로 산성화된 염화제이철 용액(FeCl3)이 이 영역에 형성되어 틈의 부식을 가속화합니다(그림 2).틈새 부식은 본질적으로 부식의 위험을 증가시키므로 구멍보다 훨씬 낮은 온도에서 틈새 부식이 발생할 수 있습니다.
그림 2 – 틈새 부식은 파이프와 파이프 지지대(상단) 사이 및 파이프가 다른 표면(하단) 가까이에 설치될 때 틈에 화학적으로 공격적인 염화 제이철의 산성 용액이 형성되어 발생할 수 있습니다.
틈새 부식은 일반적으로 파이프 섹션과 파이프 지지대 칼라 사이에 형성된 틈에서 먼저 피팅을 시뮬레이트합니다.그러나 균열 내부 유체의 Fe++ 농도 증가로 인해 초기 깔때기는 균열 전체를 덮을 때까지 점점 더 커집니다.궁극적으로 틈새 부식은 파이프 천공으로 이어질 수 있습니다.
조밀한 균열은 부식의 가장 큰 위험을 나타냅니다.따라서 파이프 둘레의 많은 부분을 둘러싸는 파이프 클램프는 파이프와 클램프 사이의 접촉면을 최소화하는 개방형 클램프보다 더 위험한 경향이 있습니다.서비스 기술자는 고정물을 정기적으로 열고 파이프 표면의 부식 여부를 검사하여 틈새 부식 손상 또는 고장 가능성을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다.
특정 용도에 적합한 금속 합금을 선택하면 점식 및 틈새 부식을 방지할 수 있습니다.지정자는 작동 환경, 공정 조건 및 기타 변수에 따라 부식 위험을 최소화하기 위해 최적의 배관 재료를 선택하는 데 주의를 기울여야 합니다.
지정자가 재료 선택을 최적화할 수 있도록 금속의 PREN 값을 비교하여 국부 부식에 대한 내성을 결정할 수 있습니다.PREN은 다음과 같이 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 질소(N) 함량을 포함한 합금의 화학적 성질로부터 계산할 수 있습니다.
PREN은 합금의 크롬, 몰리브덴 및 질소의 내식성 원소 함량에 따라 증가합니다.PREN 비율은 화학적 조성에 따라 다양한 스테인리스강에 대해 공식이 발생하는 최저 온도인 임계 공식 온도(CPT)를 기반으로 합니다.기본적으로 PREN은 CPT에 비례합니다.따라서 PREN 값이 높을수록 피팅 저항이 높음을 나타냅니다.PREN의 작은 증가는 합금에 비해 CPT의 작은 증가에 해당하는 반면, PREN의 큰 증가는 훨씬 더 높은 CPT에 비해 성능이 크게 향상되었음을 나타냅니다.
표 1은 해상 석유 및 가스 산업에서 일반적으로 사용되는 다양한 합금에 대한 PREN 값을 비교합니다.사양이 고품질 파이프 합금을 선택하여 내식성을 크게 향상시킬 수 있는 방법을 보여줍니다.PREN은 316 SS에서 317 SS로 약간 증가합니다.Super Austenitic 6 Mo SS 또는 Super Duplex 2507 SS는 상당한 성능 향상에 이상적입니다.
스테인리스강의 니켈(Ni) 농도가 높을수록 내식성도 증가합니다.그러나 스테인리스강의 니켈 함량은 PREN 방정식의 일부가 아닙니다.어떤 경우든 니켈 함량이 높은 스테인리스강을 선택하는 것이 종종 유리합니다. 이 요소는 국부 부식의 징후를 보이는 표면을 재부동태화하는 데 도움이 되기 때문입니다.니켈은 오스테나이트를 안정화하고 1/8 경질 파이프를 구부리거나 냉간 인발할 때 마르텐사이트 형성을 방지합니다.마르텐사이트는 국부 부식 및 염화물 유도 응력 균열에 대한 스테인리스강의 저항성을 감소시키는 금속의 바람직하지 않은 결정상입니다.316/316L 강에서 최소 12%의 더 높은 니켈 함량은 고압 수소 가스 응용 분야에도 바람직합니다.ASTM 316/316L 스테인리스강에 필요한 최소 니켈 농도는 10%입니다.
국부 부식은 해양 환경에서 사용되는 파이프라인 어디에서나 발생할 수 있습니다.그러나 이미 오염된 부분에서는 피팅이 발생하기 쉽고, 배관과 설치 장비 사이의 간격이 좁은 부분에서는 틈새 부식이 발생하기 쉽습니다.PREN을 기준으로 지정자는 모든 종류의 국부 부식 위험을 최소화하기 위해 최상의 파이프 등급을 선택할 수 있습니다.
그러나 부식 위험에 영향을 미칠 수 있는 다른 변수가 있다는 점을 명심하십시오.예를 들어, 온도는 피팅에 대한 스테인리스강의 저항에 영향을 미칩니다.고온의 해양 기후에서는 수퍼 오스테나이트 6 몰리브덴강 또는 수퍼 듀플렉스 2507 스테인리스강 파이프를 심각하게 고려해야 합니다. 이러한 재료는 국부 부식 및 염화물 균열에 대한 저항성이 우수하기 때문입니다.서늘한 기후의 경우, 특히 성공적으로 사용한 이력이 있는 경우 316/316L 파이프로 충분할 수 있습니다.
해양 플랫폼 소유자와 운영자는 배관이 설치된 후 부식 위험을 최소화하기 위한 조치를 취할 수도 있습니다.파이프를 깨끗하게 유지하고 정기적으로 담수로 씻어내어 피팅 위험을 줄여야 합니다.또한 유지 보수 기술자가 정기적인 검사 중에 클램프를 열어 틈새 부식을 확인하도록 해야 합니다.
위의 단계를 따르면 플랫폼 소유자와 운영자는 해양 환경에서 파이프 부식 및 관련 누출 위험을 줄이고 안전과 효율성을 개선하며 제품 손실 또는 비산 배출 가능성을 줄일 수 있습니다.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
석유공학회(Society of Petroleum Engineers)의 주력 저널인 Journal of Petroleum Technology는 업스트림 기술의 발전, 석유 및 가스 산업 문제, SPE 및 회원사에 대한 뉴스에 대한 권위 있는 브리핑과 기사를 제공합니다.